定梁式數控龍門鏜銑床橫梁結構優化設計
2015-8-25 來源：數控機床市場網 作者：貴州大學機械工程尹宏 孫棟 張萍 楊旭東
尹宏 孫棟 張萍 楊旭東(1.貴州大學 機械工程學院；2.貴州理工學院 機械工程學院；3.貴州民族大學 理學院機械系）
摘 要：將CAD、CAE平行進行的思想引入企業實際生產中，針對XK2430定梁式數控龍門鏜銑床實際工況以及性能要求，就其關鍵支承件橫梁進行分析研究及優化設計，并驗證其可行性及合理性，確定優化橫梁的最終結構。
關鍵詞：橫梁；有限元分析；優化設計
0 引言
橫梁是龍門機床的重要部件，橫梁體三維模型如圖1所示，橫截面剖視圖如圖2所示。其本身是一個彈性系統，且跨距較大，在重力、切削力、夾緊力等的作用下，除了產生零件自身變形外，還引起溜板、滑枕等零件各接觸面之間的接觸變形，各部分變形綜合作用的結果使得刀尖軌跡發生變化，造成刀具和工件的相對位移，從而影響加工精度。
在實際工況中，橫梁兩端分別與左右立柱緊固，溜板與橫梁結合的上導軌面采用滾動塊與蝶簧組合，溜板后壓板面及溜板與橫梁結合的內導軌面鑲滾動塊，其他導軌結合面貼氟塑軟帶，由交流伺服電機及滾珠絲杠螺母副驅動溜板水平移動。滑枕及溜板結合導軌采用聚四氟乙烯軟帶滑動導軌，由交流伺服電機帶動滾珠絲杠旋轉，實現滑枕沿溜板導軌作上、下移動，如圖3所示。
1 建立有限元模型
在做有限元分析時，通常要對幾何模型進行適當簡化，否則將大幅度增加網格數量、延長計算時間，甚至導致計算結果錯誤或無法收斂。因此，在保證分析精度的前提下，為了盡量降低計算成本，本文對研究對象進行了適當的簡化。在此基礎上依次定義部件材料、相互接觸關系及載荷，并劃分網格。裝配體網格模型如圖4所示。
2 有限元分析
分別研究橫梁在自重下及實際工況下的變形情況，橫梁由自重引起的最大變形量為1.372×10-2mm，如圖5所示。在極端工況下的最大變形量為3.531×10-2mm，如圖6所示。由此可見，橫梁體導軌的接觸變形約占整個變形量的61%，因此導軌是橫梁體結構最重要也是最薄弱的環節，因根據其承載特點確定合理的承載結構。
3 優化設計
基于上述橫梁體分析，本文對其進行優化設計，以期達到提高性能、降低重量的目的。就材料而言，鋼板焊接橫梁具有傳統鑄鐵件無可比擬的優勢，但鑒于實際生產需求，且為了和原有結構形成對比，本文仍然采用HT300作為橫梁體材料。首先使用ABAQUS進行拓撲優化，分析其材料分布趨勢，從圖7所示迭代過程可以看到，迭代開始時，主要去除支撐面及其兩側的材料，其次移除橫梁體后上部材料移除，內部筋板也隨之呈三角形結構。之后，結合相應的設計原則及實際經驗進一步完善優化結構。鑄造橫梁體壁厚取30mm，在凸臺和導軌等的連接處，壁厚適當加厚。通過分析不同截面形狀的力學性能，結合橫梁體的承載特點，本文提出一種新的橫梁結構形式，如圖8所示。這種結構的特點是剛性好、結構緊湊、節約材料等。
為了驗證優化設計結果的合理性，采用有限元法對其進行分析并比較優化前后的結果。由于橫梁截面形狀發生了變化，需要對溜板進行相應的調整，滑枕、主傳動箱結構保持不變。
將優化后的模型導入到ABAQUS，為其設定與優化前分析模型相同的材料屬性、相同的分析步、相同的相互作用、相同的邊界條件、相同的網格尺寸及網格類型，分別就橫梁體、橫梁組件的靜、動態特性進行分析。橫梁體極端工況下的合位移分布云圖如圖9所示。驗證表明，優化后的橫梁體在重量減輕35.70%的同時，變形及應力分布均得到較好的改善，一階固有頻率提高37.93%，優化方案合理可行。靜態特性及動態特定均得到較好的改善，優化方案合理可行。優化前后參數對比如表1所示。
4 結束語
本文通過建立定梁式數控龍門鏜銑床橫梁部件三維模型，采用有限元分析的方法對其在實際工況下的靜、動態特性進行系統研究，在此基礎上進行優化設計，提出一種合理可行的優化方案，使橫梁提高性能的同時，實現輕量化設計，有效降低生產成本，提升整機品質。
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